In-plane kohærent styring af plasmonresonanser til plasmonisk kobling og kodning

Skematiske diagrammer over to opsætninger til kohærent styring af plasmonresonanser i planet. et fiber-bølgelederinterferometer. b Konfokalt mikroskop med mørkt felt (DF), hvor kvartbelysning kan opfyldes ved at blokere 3/4 område af den ringformede blænde. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

Lysindfald på metalliske nanopartikler kan starte den kollektive bevægelse af elektroner, forårsager en stærk forstærkning af det lokale elektromagnetiske felt. Sådanne plasmoniske resonanser har betydelige roller i biosensing med evne til at forbedre opløsningen og følsomheden, der kræves for at detektere partikler på skalaen af det enkelte molekyle. Kontrol af plasmonresonanser i metadeenheder har potentielle anvendelser i altoptisk, lys-med-lys-signalmodulation og billedbehandling. Rapporter har vist kohærent kontrol af plasmonresonanser uden for flyet ved at modulere metadevices i stående bølger. I optiske enheder, lys kan overføres langs overfladerne for en hidtil uset kontrol af plasmoner. Når svingninger i ledende elektroner er koblet til lette fotoner, lokaliserede overfladeplasmonresonanser (LSPR) kan fungere som informationsbærere for optiske sensorer i nanostørrelse og i computere.

I en nylig undersøgelse, Liyong Jiang og kolleger ved Nanjing University of Science and Technology demonstrerede to metoder til belysning i luften af LSPR'er som et princip-princip i guld nanodisketter. Resultaterne af deres arbejde viste, at LSPR'erne kunne skiftes til forskellige tilstande ved at justere det indfaldende lys til at kode logiske data i kæder på en måde, der hidtil ikke var mulig med belysning uden for flyet. Resultaterne er nu offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer .

Betydelig indsats i det sidste årti blev afsat til at studere lys-stof-interaktioner på nanoskalaen i plasmoniske systemer. Evnen til at kontrollere LSPR har ført til mange praktiske anvendelser, herunder banebrydende eksempler som:

Overfladeforbedret Raman-spredning
Plasmon bølgeledere
Molekylære herskere
Biosensering og bioimaging
Nanolasers
Plasmonisk holografi
Tunnelkryds, og
Metalens.

In-plane kohærent kontrol af plasmonresonanser i guld-nanodiskmonomerer. en, b Beregnede normaliserede absorptionsspektre for guld-nanodiskmonomerer med en diameter på fra 140 til 200 nm for s-polariseret planbølge i plan, der kommer fra højre side (stiplet linje) eller begge sider (hel linje) uden faseforsinkelse, eller med en faseforsinkelse på π. "F" og "H" repræsenterer grundlæggende og højordens plasmonresonanser. c – e De tilsvarende rumlige fordelinger af elektrisk feltamplitude | E |, reel del Re (Ez), og imaginær del Im (Ez) for "F" og "H" -tilstande (firkant- og cirkeltegn) af den repræsentative guld-nanodiskmonomer (D =160 nm) under asymmetrisk og symmetrisk belysning i flyet. Under symmetrisk belysning i flyet, vi kan observere faseforsinkelsesafhængig destruktiv/konstruktiv interferens for "F" og "H" tilstande. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

I de indledende faser af udviklingen, forskere fokuserede på at kontrollere LSPR ved at designe konfigurationer af de plasmoniske nanostrukturer. De forstod størrelses- og formafhængig LSPR af enkelte plasmoniske nanopartikler og koblede plasmoniske systemer baseret på den klassiske Mie-teori og veletablerede plasmoniske hybridiseringsmodeller. Derudover lysstrålen belyste typisk prøveoverfladen fra en retning i konventionelle optiske undersøgelser af enkeltstående og koblede nanoantenner.

Selvom muligheden for at kontrollere plasmonresonanser via belysning uden for flyet har åbnet en ny vej til modulering af signaler, processen har vist begrænsninger. Som resultat, Jiang et al. rapporteret om kohærent styring af plasmonresonanser i flyet i typiske metalliske nanoantenner. Forskerne fremlagde en principiel demonstration af plasmoniske switch- og kodningsapplikationer til enkelt- og koblede guld-nanodisketter.

For at opnå kohærent kontrol i plasma af plasmonresonanser i laboratoriet, forskerne foreslog to mulige eksperimentelle opsætninger. Den ene var baseret på et fiberbølgelederinterferometer, som stod over for udfordringer under forsøg. Sammenlignet med, den anden metode inkluderede en mere bekvem, udbredt opsætning af mørkt felt konfokalmikroskopi. Heri, betingelsen for fuldstændig symmetrisk belysning i flyet kunne være opfyldt tidligt, når inputlyset fokuserede på midten af prøven. For at konstruere asymmetrisk belysning i flyet, forskerne blokerede tre fjerdedele af området i den ringformede blænde. Jiang et al. viste, at opsætningen var egnet til at studere plasmoniske nanostrukturer med størrelser, der kan sammenlignes med den fokuserede spotstørrelse på den indfaldende lysstråle.

Demonstration af elektriske feltfordelingsregler for 200 nm guld nanodisk monomer og dimer af s-SNOM. en skematisk oversigt over s-SNOM-måling for konfigurationer af s – s og s – p excitation-opsamling. Bølgelængden af excitationslaseren er 633 nm, og indfaldsvinklen i forhold til substratets plan er 30 °. b Beregnet normaliseret absorptionsspektrum på 200 nm guld nanodisk monomer og dimer ved indfaldsvinkel 30 ° under asymmetrisk (stiplet linje) eller symmetrisk (solid linje) belysning uden faseforsinkelse. Spaltestørrelsen i dimeren er 30 nm. c Atomisk kraftmikroskopiske (AFM) billeder af guld nanodisk monomer og dimer til s – s og s – p målinger. Den røde pil repræsenterer laserens forekomstretning, og den blå stiplede linje repræsenterer nanodiskens midterakse. d, e Eksperimentelle og simulerede rumlige fordelinger af amplituden | A |, fase ϕ, og reel del af elektrisk feltkomponent Ey i s-s måling og Ez i s-p måling for 200 nm guld nanodisk monomer og dimer. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

At konstruere guld nanodisk prøver på siliciumdioxid/silica (SiO ₂ /Si) substrater, Jiang et al. brugt elektronstråle litografi (EBL) sammen med en lift-off proces. De afsluttede fremstillingsprocessen ved at belægge substratoverfladen med en guldfilm og et underliggende chrom (Cr) vedhæftningslag ved hjælp af elektronstråleinddampning. Forskerne undersøgte derefter kohærent kontrol af plasmonresonanser i planet i guld-nanodiskene og beregnede absorptionsspektre for guld-nanodiskmonomerer, der spænder fra diametre på 140 til 200 nm; fremstillet på SiO ₂ /Si substratoverflade.

I arbejdet, de etablerede og eksperimentelt verificerede fordelingsreglen for elektriske feltkomponenter for at realisere destruktive og konstruktive plasmonresonanser i en aksesymmetrisk plasmonisk nanostruktur. De viste, hvordan den kohærente kontrol af plasmonresonanser i planet stærkt var afhængig af konfiguration og symmetri af plasmoniske nanostrukturer, sammenlignet med kohærent kontrol uden for flyet. Denne funktion kan give frihed til at skræddersy og konstruere flere plasmonresonanser i andre aksesymmetriske plasmoniske strukturer, som omfatter nanosfærer, nanorod, nano bowtie og nanostructure polymerer.

Demonstration af plasmonisk switching ved mørk felt (DF) spredning måling af guld nanodisk monomer og dimer. et normaliseret DF -spredningsspektrum af guld -nanodiskmonomer med en diameter på 200 nm (SEM -billede) under fuld og kvart belysning. b De tilsvarende normaliserede simulerede sprednings- og absorptionsspektre. c, d Normaliseret målte og simulerede DF -spredningsspektre af guld nanodisk dimer med en diameter på 200 nm og en mellemrumsstørrelse på 30 nm (SEM -billede) under fuld og kvart belysning. De røde faste kurver i c er udglattningsresultaterne. Skalaen i SEM -billeder er 200 nm. e, f Polarisationsdiagrammer for fuld- og kvartbelysning i DF -spredningsmåling og simulering for guld -nanodiskmonomer og dimer. I både eksperiment og simulering, excitationen er s- eller p-polariseret, og samlingen er upolariseret. De sorte og røde dobbelthovede pile repræsenterer den indledende polarisering og polarisationen efter fokusering, henholdsvis. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

For at se plasmonresonansmetoderne i guld-nanodisker brugte forskerne en polarisationsfølsom s-SNOM-teknik, som kan detektere lys på nanometerskalaområderne direkte under spidsen af atomkraftmikroskopiske (AFM) sonde. Forskerne brugte et s-s/s-p geometri-skema og engagerede et dielektrisk (Si) tip til målinger. De belyste prøven ved hjælp af laserstråling med et indfaldende lys på 30 ⁰ i forhold til substratets plan. Jiang et al. målte amplituden og fasen af det spredte signal baseret på den fjerde harmoniske af AFM-spidsens tip-tapping-frekvens. De brugte en analysator foran detektoren til at vælge den s- eller p-polariserede komponent i det spredte lys.

Jiang et al. demonstrerede også plasmonisk skifte med mørke felt (DF) spredningsmålinger af en guld nanodisk monomer eller dimer. I den eksperimentelle opsætning brugte de et konfokalt Raman -mikroskopisystem til at måle spredningsspektrene. De brugte derefter kommercielt tilgængelige softwarepakker til at udføre numeriske simuleringer i undersøgelsen. Simuleringerne omfattede elektriske feltfordelinger, absorptions- og spredningsspektre for guld -nanodisketter. De simulerede de komplekse elektromagnetiske parametre for guld og chrom inkorporeret i den eksperimentelle opsætning, baseret på tidligere publikationer.

Plasmonisk kodning i guld nanodisk kæder. a Beregnet absorptionsspektre for guld-nanodiskkæder bestående af forskellige antal nanodisketter belyst af den s-polariserede planbølge i plan, der kommer fra højre side (stiplet linje) eller begge sider (hel linje). Nanodiskens diameter er 140 nm, og separationsafstanden er 30 nm. De destruktive og konstruktive plasmonresonanser repræsenteres af grønne og røde farver, henholdsvis. b Rumlige fordelinger af elektrisk feltamplitude | E | for "F" -plasmonresonanserne (spidsposition) under symmetrisk belysning. c Skiver elektriske felt amplitudefordelinger langs kædens kant (den hvide stiplede linje i b). d – g Tilsvarende rumlige fordelinger af reel og imaginær del af Ez, når den s-polariserede planbølge i plan kommer fra venstre side (d, f) og højre side (e, g) hhv. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

På denne måde, Jiang et al. demonstreret princippet om principiel plasmonisk kobling og kodning i undersøgelsen. De forventer flere potentielle applikationer baseret på den demonstrerede evne til in-plane kohærent kontrol af plasmonresonans. For eksempel, forskere kan bruge metoden til at studere selektive overfladeforbedrede spektre, hvor fotoluminescensen eller Raman -signalet fra flere molekyler selektivt kan forstærkes. Dette vil muliggøre kontrol af on/off-tilstanden for flere plasmonresonanser i en fælles nano-antenne. Forskerne foreslår at udvide det plasmoniske kodningsskema, der blev demonstreret i undersøgelsen, til at omfatte plasmonisk billeddannelse, nanolasning og optisk kommunikation i nanokredsløb. For eksempel, forskere kan kombinere plasmoniske nanostrukturkæder med forskellige kodningskarakteristika for at bygge logiske porte (til boolske logiske operationer) samt designe flerkanalsbølgeledere til al-optisk informationslagring og processer.

Sidste artikelForskere et skridt nærmere et ur, der kunne erstatte GPS og Galileo

Næste artikelBrug af kvantemålinger til brændstof til en kølemotor